우주탐사선은 인간이 직접 도달할 수 없는 외계 공간에 도달해 데이터를 수집하고,
지구로 전송하며, 다양한 임무를 수행하는 복합 시스템이다.
이런 탐사선의 ‘두뇌’ 역할을 하는 것이 바로 **전자장치(Electronic Subsystems)**다.
전자장치는 우주 환경이라는 극한 조건 속에서도 정밀하고 안정적인 운용,
장기간 무정비 자율 작동, 고방사선 내성, 에너지 효율성을 동시에 만족해야 한다.
우주 공간은 온도 -150℃에서 +150℃를 넘나들고,
강력한 우주방사선과 미세운석, 전자기 장애가 존재하며,
복구가 불가능한 단방향성 미션 환경이다.
이러한 특수 환경에서 사용되는 전자장치는
지상의 일반 전자회로나 IT 기기와는 완전히 다른 **우주급 설계 지침(Space-Grade Design Rules)**을 따라야 한다.
이번 글에서는 우주탐사선에 탑재되는 전자장치들의 주요 구성 요소,
설계 시 고려사항, 방사선 대응 기술, 열관리 전략, 그리고
현업에서 사용되는 신뢰성 확보 방법까지, 항공우주공학적 관점에서 폭넓게 분석한다.
1. 우주탐사선 전자장치의 역할과 분류
우주탐사선에 탑재되는 전자장치는 임무 유형에 따라 달라지지만,
크게 다음과 같은 5대 기능 블록으로 분류된다.
✅ 1) 비행 컴퓨터 (Onboard Computer)
- 전체 시스템 제어 및 미션 명령 수행
- 실시간 명령 처리, 센서 통합, 데이터 저장/압축
✅ 2) 전력관리 시스템 (Power Control & Distribution)
- 태양광 및 배터리로부터의 전원 공급
- 각 서브시스템에 맞는 전압 변환 및 분배
✅ 3) 통신 시스템 (Telecommunication)
- 안테나, 송수신 모듈, 변조기, 인코더
- 지구와의 명령 송수신 및 과학 데이터 전송
✅ 4) 항법 및 제어 시스템 (ADCS: Attitude Determination and Control System)
- 자이로, 자력계, 별 추적기, 센서 수집 → 자세 판단
- 반작용 휠, 스러스터 제어 → 자세 유지
✅ 5) 탑재체(Payload) 제어 시스템
- 카메라, 분광기, 분석 장비 등 실험 모듈 제어
- 측정값 수집, 시간 동기화, 전처리 수행
2. 우주 전자장치 설계의 핵심 고려 요소
✅ A. 방사선 내성 (Radiation Hardening)
- 우주 환경에서는 지구 자기장 보호 없이 고에너지 입자에 노출
- 전자장치에 직접적인 손상 → SEU(Single Event Upset), SEL(Single Event Latch-up) 등 발생 가능
대응 설계 전략:
- Rad-Hard 부품 사용: 특수 설계된 반도체 사용
- Triple Modular Redundancy (TMR): 회로 3중화 및 투표 로직 적용
- Error Correcting Code (ECC): 메모리 오류 정정 알고리즘 사용
- Watchdog Timer: 시스템 정지 시 자동 리부팅 회로
✅ B. 열환경 대응 (Thermal Management)
- 우주에서는 전도/대류 불가 → 복사만 가능
- 작동 중 열 발생 장치와 영하 수십도 영역을 동시에 관리해야 함
설계 방안:
- 히트파이프 또는 전도성 냉각판 설계
- 고방사율 외장재 적용 (알루미늄 + 알루마이트 처리 등)
- 내부 온도 센서 → PID 제어 기반 히터 구동
✅ C. 전력 제약 환경 (Power Budget Optimization)
- 태양광 → 배터리 → DC 변환 → 서브시스템 공급
- 평균 소비 전력 수십 와트 수준
- 출력 최대화 + 소비 최소화 동시 고려
디자인 포인트:
- 초저전력 마이크로컨트롤러 선택
- 필요 없는 모듈 자동 슬립 또는 오프 전환
- 전력 수요 스케줄링 (전송 vs 측정 시점 분리)
✅ D. 장기 신뢰성 (Long-Life Operation)
- 우주탐사선은 5~10년 이상 무정비로 운용됨
- 하드웨어 고장 시 복구 불가 → 부품 선정, 납땜, 피복까지 정밀 설계
신뢰성 확보 방법:
- MIL-STD, NASA-STD 기준의 고신뢰 부품 사용
- Burn-in Test (고온 내구 시험)
- Radiation Test, Thermal Cycling Test
- JTAG 기반 시스템 상태 진단 회로 내장
3. 전자회로 구조 설계 예시
✅ Onboard Computer (OBC) 예시 구성
- CPU: ARM Cortex-M 계열, LEON3/LEON5 (ESA 지원 SPARC 기반)
- RAM: ECC 지원 SDRAM 또는 SRAM
- ROM: Flash 또는 MRAM (비휘발성, 방사선 내성)
- Interface: CAN, SPI, UART, I2C
- Power: 3.3V, 5V 전압 라인 멀티 변환 모듈
- Watchdog Timer + TMR 설계 적용
➡ 설계 시 신호 간섭 최소화, PCB 레이아웃 최적화, EMC 차폐 필수
✅ 통신 시스템 설계 포인트
- UHF/VHF/X-band/S-band/Ka-band 선택 (미션 범위에 따라 달라짐)
- 송수신 전력 <10W 수준
- 고이득 안테나 + 방향 추적 소프트웨어 연동 필요
- Reed-Solomon, Convolutional Encoding 등 오류 정정 알고리즘 내장
4. 우주급 전자 부품의 선택 기준
우주 전자장치는 지상의 상용 부품과는 다른 등급의 신뢰성을 요구한다.
이에 따라 다음과 같은 등급 체계가 존재한다.
| 등급 | 설명 | 사용 예 |
|---|---|---|
| Commercial Off The Shelf (COTS) | 일반 산업용 부품 | 테스트 위주 소형위성, CubeSat |
| Industrial Grade | 확장 온도 대응 | 일부 고도 미션 |
| Radiation Hardened | 방사선 보호 설계 포함 | 정지궤도 위성, 행성탐사선 |
| Military / Space Grade | MIL-STD-883, ESCC 인증 | NASA, ESA 정규 우주선 |
➡ 비용, 일정, 위성 등급에 따라 상이한 부품 전략 수립 필요
5. 실제 적용 사례
✅ NASA 퍼서비어런스 탐사선의 전자 시스템
- CPU: RAD750 (PowerPC 기반, 200MHz)
- RAM: 256MB DRAM, 2GB 플래시
- 무게: 약 10kg의 전체 컴퓨팅 모듈
- 방사선 내성: 최대 1 Mrad
- 사용된 주요 회로: 파워모듈, 통신 블록, 센서 허브, 비상제어회로 등
➡ 연산 성능보다 내구성, 안전성, 정전 대응력이 설계 우선 순위
✅ 한국 ‘다누리’ 달 궤도선 사례
- 지상과의 통신을 위한 X-band 송수신기, 스타 트래커, 우주 환경 모니터링 센서 모두 고신뢰 전자회로 기반
- 탑재체 제어를 위한 분산형 마이크로컨트롤러 구조
- 전력 최소화 설계 + 수동 열 제어 시스템 결합
결론: 우주 전자장치 설계는 신뢰성과 생존성을 위한 공학적 집약체다
우주탐사선에 탑재되는 전자장치는 단순히 작동만 해서는 의미가 없다.
극한의 온도, 전자파, 방사선, 진동, 고립된 운용 환경에서도
오류 없이, 장기간, 자율적으로 작동할 수 있어야 진정한 우주 전자장치라고 할 수 있다.
항공우주공학에서의 전자장치 설계는 회로설계, 통신이론, 제어공학, 신뢰성공학이 총망라된 융합 분야다.
앞으로 인공위성, 우주정거장, 유인 탐사선, 심우주 탐사 시대가 본격화됨에 따라
우주급 전자장치 설계의 중요성은 더욱 커질 것이며,
이를 주도할 인재는 오늘날의 공학적 사고력을 바탕으로 성장한 차세대 항공우주공학도들이다.